CN101299368B

CN101299368B - 磁性增强的H掺杂MnxGe1-x磁性半导体薄膜

Info

Publication number: CN101299368B
Application number: CN2008100147299A
Authority: CN
Inventors: 颜世申; 姚新欣; 乔瑞敏; 秦羽丰; 孙毅彦; 陈延学; 刘国磊; 梅良模
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: CN101299368A

Abstract

磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，属于信息技术自旋电子材料领域。该发明通过向Mn_xGe_1-x薄膜中掺杂H且其含量2at％-35at％，获得居里温度＞270K的磁性半导体薄膜。

Description

磁性增强的H掺杂MnxGe1-x磁性半导体薄膜

技术领域

本发明涉及磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，属于信息技术自旋电子材料领域。

背景技术

在过去的20世纪，半导体技术的发展，对整个人类的生活产生了巨大的影响。1947年，美国电报电话公司(AT&T)贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克利在研究半导体材料——锗和硅的物理性质时，意外地发现了锗晶体具有放大作用，经过反复研究，他们用半导体锗材料制成了世界上第一个固体放大器——晶体管。随后的半个世纪内，以大规模集成电路为基础，计算机向微型化和巨型化方向发展，取得了前所未有的成就，极大地推动了人类文明的进程。

然而，传统半导体器件发展到今天，运行速度和存储密度都已经越来越接近其理论极限，探索新的信息处理机制成为电子科学技术持续发展的必然.我们知道电子既具有电荷属性，也具有自旋属性。传统的半导体技术只是利用了电子的电荷属性，而利用电子的自旋开发具有潜在应用价值的新型功能器件，即自旋电子学，成为近年来研究的热点。在自旋电子学中，信息的读取，传输和处理都是针对电子或核的自旋来操作的。可能的自旋电子学新型功能器件包括磁随机存储器，自旋发光二极管，自旋晶体管，自旋阀，非易失性存储器，光频隔离器等。

要实现这些功能器件，各种室温下表现出铁磁性的金属当然是理想的选择。然而，如果所有这些功能可以在半导体材料中实现，就可以利用现有的半导体光电器件工艺来制造新一代的光电器件，这就凸现出磁性半导体材料的重要性。

关于Ge基磁性半导体材料，Park等人于2002年报道了居里温度约116K的外延Mn_xGe_1-x磁性半导体，而且材料的居里温度随Mn浓度的增加而线性增加(Y.D.Park，Science 295，651(2002))。Tsui等人制备了高质量的(Co，Mn)共掺杂的Ge薄膜，居里温度可以达到270K，但是该材料的饱和磁化强度非常小(F.Tsui，PRL91，177203(2003))。第一性原理计算结果显示Mn离子之间的交换相互作用随杂质之间的距离增大而振荡变化。而且，绝大多数的理论计算结果显示Mn在Ge基中趋向形成团簇，最近邻Mn离子之间反铁磁耦合在能量上要优于铁磁耦合。通过这些理论结果，在Ge基磁性半导体中很难达到高居里温度的铁磁性。因此，我们需要解决的关键问题便是寻找一种方法，实现Ge基磁性半导体中最近邻Mn之间的铁磁耦合。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜。

发明概述

氢(H)通常被用来调节半导体的电性质，因为它的半径小使它容易留在晶体的间隙位置。此外，依赖于不同的电负环境，H原子既可以作为施主又可以成为受主。虽然在Mn_xGe_1-x化合物中，最近邻的替代位Mn离子之间为反铁磁耦合，H作为间隙原子加入，通过Mn-H-Mn的形成，可以在该化合物中产生强的铁磁相互作用，从而获得高居里温度的铁磁性。

发明详述

本发明的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料中掺杂有2at％-35at％的氢原子，x＝0.03-0.6，该材料的居里温度不低于270K。

可以利用现有技术分子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积或者离子注入的方法在衬底上生长Mn_xGe_1-x薄膜，Mn的掺杂浓度3at％-60at％。

本发明的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜的氢原子的掺入通过以下三种方式之一：

a.在氢气氛中生长该薄膜，使掺杂有2at％-35at％的氢原子；

b.制备态薄膜在氢气氛中进行热处理，使掺杂有2at％-35at％的氢原子；

c.制备态薄膜通过离子注入氢原子，使掺杂有2at％-35at％的氢原子。

本发明典型样品，激光脉冲沉积法制备的H掺杂Mn_0.3Ge_0.7的室温磁滞洄线如图2所示，显示该样品具有室温铁磁性。该典型样品的室温反常霍尔效应如图3所示，表明该样品中存在sp-d交换相互作用，磁性为样品本征的性质，而非来自于杂质相的存在。实验结果证明H掺杂确实有效地增强了Mn_xGe_1-x薄膜的磁性。

使用基于密度泛函理论的QUANTUM-ESPRESSO软件包对本发明的材料的性质进行计算验证，在计算中我们使用了广义梯度近似(GGA)与超软赝势，其中Mn的价电子组态为3s²3p⁶3d⁵4s²，Ge为4s²4p²。设置平面波截止动能为40Ryd。优化原子位置和晶格参数直到原子间作用力小于10^-3Ryd/Bohr，应力小于0.5kbar。对布里渊区的抽样，采用4×4×4的Monkhost-Pack型k点栅格。第一性原理计算的结果显示，Mn_xGe_1-x薄膜中H的掺入，以Mn-H-Mn的形式存在，破坏了最近邻Mn之间的强反铁磁相互作用，形成铁磁自旋排列。当Mn和H的浓度达到一定程度，局域的铁磁极化子互相交叠，从而形成长程铁磁序，获得高的居里温度。

附图说明

图1中(a)显示了H掺杂Mn_0.3Ge_0.7的计算态密度(DOS)，图1中(b)，(c)，(d)分别显示了Mn的3d态，4s态和H的1s态的态密度，将坐标原点设在费米能级处，状态数目的正负分别表示自旋向上的态和自旋向下的态。H杂质能级的引入，使Mn的3d和4s能级发生移动。

图2，图3分别为激光脉冲沉积法制备的H掺杂Mn_0.3Ge_0.7磁性半导体薄膜的室温磁滞洄线及室温反常霍尔效应图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的不同实施方案进一步说明，然而，这些不应当视为对本发明的限制。

实施例1：H掺杂Mn_0.3Ge_0.7磁性半导体薄膜，制备方法如下：

使用脉冲激光沉积的方法，采用(110)高阻硅单晶衬底，背底真空度优于10^-6Pa，通入氢气，调节氢气流量使样品腔内氢气压强维持在10^-1Pa。衬底温度加热至600K，调节Ge，Mn的沉积速率分别为0.04nm/s，0.02nm/s，制得膜厚200nm的H掺杂Mn_0.3Ge_0.7薄膜。

H掺杂Mn_0.3Ge_0.7样品的室温磁滞洄线及室温反常霍尔效应分别如图2，图3所示。

实验结果进一步证明了H掺杂确实增强了Mn_xGe_1-x薄膜的磁性。

Mn_xGe_1-x薄膜中氢的掺入还可以通过以下两种制备工艺实现：

1.常规制备所要求Mn含量的Ge薄膜，再在氢气氛中充分进行热处理。

2.常规制备所要求Mn含量的Ge薄膜，然后利用离子注入设备注入氢。

实施例2：H掺杂Mn_0.1Ge_0.9磁性半导体薄膜，制备方法如下：

用分子束外延的方法，在(0001)三氧化二铝单晶衬底上，生长Mn_0.1Ge_0.9薄膜。用超导量子干涉仪对制备态的Mn_0.1Ge_0.9薄膜进行的磁性测量结果显示，低到5K的温度，样品都不具有铁磁性。然后，将该制备态的薄膜放入退火炉，在氢气氛中进行退火处理，退火温度800℃，制得H掺杂Mn_0.1Ge_0.9磁性半导体薄膜。用同样的超导量子干涉仪测量样品磁性显示，氢气氛中退火后的样品具有室温磁性。

Claims

1.H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料中掺杂有2at％-35at％的氢原子，x＝0.03-0.6。

2.如权利要求1所述的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料的居里温度不低于270K。

3.如权利要求1所述的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，用分子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积或者离子注入的方法在衬底上生长Mn_xGe_1-x薄膜，Mn的掺杂浓度3at％-60at％。

4.如权利要求1所述的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，氢原子的掺入通过以下三种方式之一：

a.在氢气氛中生长该薄膜；

b.制备态薄膜在氢气氛中进行热处理；

c.制备态薄膜通过离子注入氢原子。